desenvolvimento de sistema eletroeletrÔnico...

FACULDADE PROMOVE DE TECNOLOGIA

Bruno Ferreira Jorge

DESENVOLVIMENTO DE SISTEMA ELETROELETRÔNICO

PROGRAMÁVEL PARA MONITORAMENTO DE

EQUIPAMENTOS LABORATORIAIS

Belo Horizonte

2018

BRUNO FERREIRA JORGE




Dissertação de Mestrado apresentada ao curso de

Pós-Graduação em Tecnologias Aplicadas à Saúde

da Faculdade PROMOVE de Tecnologia como

requisito parcial para a obtenção do título de Mestre.

Orientador: Prof. Doutor Breno Gontijo do

Nascimento

Belo Horizonte

2018

BRUNO FERREIRA JORGE




Dissertação de Mestrado apresentada ao curso de

Pós-Graduação em Tecnologias Aplicadas à Saúde

da Faculdade PROMOVE de Tecnologia como

requisito parcial para a obtenção do título de Mestre.

Examinado por:

______________________________________________________________________

Prof. Doutor Breno Gontijo do Nascimento – Professor Doutor em Engenharia

Mecânica – Faculdade PROMOVE de Tecnologia – Orientador

______________________________________________________________________

Prof. Doutor Tadeu Henrique de Lima – Professor Doutor em Engenharia

Metalúrgica – Faculdade PROMOVE de Tecnologia – Examinador

______________________________________________________________________

Doutor Vitor Daniel de Viterbo - Doutor em Química – Universidade Federal de

Minas Gerais - Examinador

Belo Horizonte, _____ de ________________ de 2018

A minha amada esposa Karina,

por todo apoio, incentivo e amor.

Aos meus pais Edson e Magali, grandes

exemplos e maiores mestres da minha vida

AGRADECIMENTOS

A Deus, senhor da minha vida, que me acompanha em todos os momentos. Meu

melhor amigo sempre! Sem Ele nada sou!

A minha esposa Karina, pelo amor, carinho, motivação e amizade. Eu te amo!

Aos meus pais, exemplo de humanidade e de amor. Sou sempre grato a tudo o

que fazem e fizeram por mim.

Ao meu orientador Prof. Breno Gontijo do Nascimento, pelo apoio,

compreensão, conhecimento e amizade, que possibilitou a conclusão desta etapa tão

importante e única em minha vida.

Aos meus amigos, Bernardo, Ronaldo, Pablo, David e Gregory, que deram um

grande apoio e incentivo para a realização desse projeto.

Aos professores do programa de Mestrado Profissional em Tecnologias

Aplicadas à Saúde da Faculdade PROMOVE de Tecnologia que contribuíram com todo

o aprendizado, crescimento e formação.

A Faculdade PROMOVE de Tecnologia, por ter me recebido como aluno e

contribuído para meu crescimento intelectual e humano.

A todos, o meu sincero obrigado!

"Quatro coisas para o sucesso:

Trabalhar e orar, pensar e acreditar."

Dr. Norman Vincent Peale

RESUMO

Na rotina laboratorial das áreas biológicas, química, física, e principalmente saúde, é

comum a utilização de diversas máquinas e equipamentos para o desenvolvimento de

diversos trabalhos e avanços científicos. O desligamento repentino desses

equipamentos, sem prévio aviso, pode trazer muitas consequências negativas,

principalmente a perda e inviabilização de experimentos e perdas de amostras e

insumos, além de colocar equipamentos e pessoas em risco. Neste contexto, este

trabalho tem como objeto de estudo, o desenvolvimento de um sistema eletroeletrônico

programável para monitoramento de equipamentos laboratoriais. O objetivo é monitorar

a energia elétrica que chega a um equipamento laboratorial e enviar dados referentes a

alimentação elétrica do equipamento para seus usuários. Informando ausência ou

presença de energia elétrica no equipamento, pode-se evitar ou minimizar os danos

causados por esseas quedas de energia elétrica. Esses dados de monitoramento serão

enviados via chamadas e mensagens de texto para telefones móveis. Isto é viável a

partir da utilização de um dispositivo composto de um módulo de celular que utiliza um

cartão do tipo subscriber identity module, ou em português, módulo de identificação do

assinante (SIM) pré ou pós-pago e uma antena. Caso haja uma queda de energia, o

dispositivo realizará chamadas e enviará mensagens de textos para os celulares

cadastrados. Este sistema trará uma solução de baixo custo, flexível e prática. O uso de

microcontroladores, sobretudo o Arduino, tem como maior vantagem a facilidade de sua

utilização, além do grande acesso a materiais de apoio. Dentre as características do

sistema podem ser citadas: baixo custo, fácil manuseio e resultados positivos no

monitoramento de equipamentos laboratoriais. Existem sistemas semelhantes no

mercado, aplicados para iniciar a ignição de geradores de energia antes que o sistema de

nobreak se esgote, porém, são sistemas com custo elevado. Assim, buscou-se o

desenvolvimento de uma solução de fácil instalação e utilização, baixo investimento

financeiro e versátil, de forma que não seja restrito a um único equipamento.

Palavras-chave: Energia, Microcontrolador, Eletroeletrônico, Monitoramento.

ABSTRACT

In laboratory routine of biological, chemical, physical, and especially in health areas,

using various machines and equipment for the development of various scientific works

and advances is common. The sudden shutdown of these equipments, without previous

warning, may causes many negative consequences, especially and unfeasibility of

experiments and losses of samples and materials, besides putting equipment and people

at risk. In this context, this work has as object of study, the development of a

programmable electro-electronic system for monitoring laboratory equipments. The

objective is to monitor the electrical energy that reaches at a laboratory equipment and

send data referring to power supply of an equipment to its users. By informing the

absence or presence of electrical energy in the equipment, is possible to avoid or

minimize the damages caused by these electric power outages. This monitoring data

will be sent via calls and text messages to mobile phones. This is feasible by using a

device comprised of a cellular module which uses a subscriber identity module type

card, or in English, a prepaid or postpaid subscriber identification module (SIM) and an

antenna. If a power outage occurs, the device will make calls and send text messages to

registered cell phones. This system will bring a low-cost, flexible and practical solution.

The use of microcontrollers, especially the Arduino, has the greater advantage of its

ease of use, besides the great access to support materials. Among the characteristics of

the system can be mentioned: low cost, easy handling and positive results in monitoring

laboratory equipment. There are similar systems in the market, applied to start the

ignition of power generators before the nobreak system runs out, however, with high

cost. Thus, we sought to develope a solution that is easy to install and use, in addition to

a low financial investment.

Keywords: Energy, Microcontroller, Electroelectronic, Monitoring;

LISTAS DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1: Etapas do Sistema Elétrico .............................................................................. 18

Figura 2: Laboratório Físico-Químico – Faculdade de Farmácia UFMG ...................... 21

Figura 3: Centro de Pesquisa e Desenvolvimento de Fármacos………………………..

…..……..............................................................................

21

Figura 4: Equipamentos do Centro de Pesquisa e Desenvolvimento de Fármacos….....

…… rmacos.............................................................................................................. 22

Figura 5: Freezer -20oC – ICB – UFMG ........................................................................ 22

Figura 6: Incubadora – ICB – UFMG ............................................................................ 23

Figura 7: Freezer -80°C – ICB – UFMG ........................................................................ 23

Figura 8: Incubadora de CO2 – ICB – UFMG ............................................................... 24

Figura 9: Estufa Incubadora – ICB – UFMG ................................................................. 24

Figura 10: Incubadora com Agitação Orbital – ICB – UFMG ....................................... 25

Figura 11: Acidente por falta de energia – UFJF ........................................................... 26

Figura 12: Esquema de funcionamento do Nobreak ...................................................... 26

Figura 13: Nobreak ......................................................................................................... 27

Figura 14: Gerador a Diesel ........................................................................................... 29

Figura 15: Microcontrolador Atmel................................................................................

30

Figura 16: Diferentes tipos de Arduíno .......................................................................... 36

Figura 17: Foto do Arduíno UNO, visto de cima ........................................................... 37

Figura 18: IDE para programação do Arduino ............................................................... 39

Figura 19: Esquema eletroeletrônico do projeto............................................................. 41

Figura 20: Fonte elétrica principal…….......................................................................... 41

Figura 21: Carregador de bateria .................................................................................... 42

Figura 22: Bateria UNIPOWER ..................................................................................... 43

Figura 23: Regulador de tensão ...................................................................................... 44

Figura 24: Regulador de tensão com conectores............................................................. 44

Figura 25: Testes com o regulador de tensão ................................................................. 45

Figura 26: Circuito detector de tensão ............................................................................ 46

Figura 27: Testes em bancada ........................................................................................ 46

Figura 28: Sensor detector de tensão .............................................................................. 47

Figura 29: Shield GSM SIM900 .................................................................................... 48

Figura 30: Face posterior do Shield GSM SIM900 ........................................................ 49

Figura 31: Teste do Shield GSM SIM900 ...................................................................... 50

Figura 32: Teste do módulo GSM SIM900 .................................................................... 51

Figura 33: Placa de sinalização ...................................................................................... 52

Figura 34: Teste do projeto em bancada ........................................................................ 53

Figura 35: Montagem física do projeto .......................................................................... 54

Figura 36: Montagem elétrica do projeto ....................................................................... 54

Figura 37: Montagem das conexões ............................................................................... 55

Figura 38: Teste durante a montagem do projeto ........................................................... 55

Figura 39: Projeto montado ............................................................................................ 56

Figura 40: Testes finais .................................................................................................. 56

Figura 41: Identificadores do projeto ............................................................................. 57

Figura 42: Teste de monitoramento em laboratório........................................................

57

Figura 43: Parâmetros e configurações iniciais ............................................................. 59

Figura 44: Início do programa ........................................................................................ 59

Figura 45: Loop principal ............................................................................................... 60

Figura 46: Realizando chamadas telefônicas ................................................................. 61

Figura 47: Realizando envio de mensagens ................................................................... 61

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Tipos de Arduino e principais especificações.......................................... 35

Tabela 2: Orçamento do projeto .............................................................................. 58

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

AC Altenating Current

CC Corrente Contínua

CEMIG Companhia Energética de Minas Gerais

CPU Unidade Central de Processamento

EEPROM Electrically Erasable Programmable Read Only Memory

EPROM Erasable Programmable Read-Only Memory

GND Ground

GPRS Serviço de Rádio de Pacote Geral

GPS Global Positioning System

ICB Instituto de Ciências Biológicas

ICE Instituto de Ciências Exatas

IDE Integrated Development Environ

LCD Liquid Crystal Display

LED Light Emitting Diode

RAM Random Access Memory

SIM Subscriber Identity Module

SMS Serviço de Mensagens Curtas

UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

UFMG Universidade federal de Minas Gerais

UFSJ Universidade Federal de Juiz de Fora

UPS Uninterruptable Power Supply

USB Universal Serial Bus

VCC Tensão em Corrente Contínua

WIFI Wireless Fidelity

LISTA DE SÍMBOLOS

oC Graus Celsius

VA Voltampere

W Watts

KB Quilobytes

MHz MegaHertz

V Volts

A Ampère

Ah Ampère – hora

mΩ Miliohm

cm Centímetros

mm Milímetros

mA Miliampère

GaAsP Fosfeto de arsênio de gálio

GaP Fosfeto de gálio

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO …………………………………………………………………….

15

2 OBJETIVOS ………………………………………………………………………..

17

2.1 Objetivo Geral …………………………………………………………………… 17

2.2 Objetivos Específicos …………………………………………………………….. 17

3 ENERGIA ELÉTRICA EM LABORATÓRIOS………….……………………...

18

3.1 Queda de energia elétrica em laboratórios …………………………………….. 18

3.1.1 Equipamentos da rotina laboratorial ………………………………………… 19

3.1.2 Acidente em ambiente laboratorial …………………………………………… 25

3.1.3 Soluções já existentes no mercado ……………………………………………. 26

4 TECNOLOGIA MICROCONTROLADA………………………………………..

4.1 Microcontroladores ………………………………………………………………

30

30

4.1.1 Memória de Programa ………………………………………………………… 32

4.1.2 Memória de Dados ……………………………………………………………... 33

4.1.3 Memória EEPROM ……………………………………………………………. 33

4.1.4 Arduino …………………………………………………………………………. 33

5 MATERIAIS E MÉTODOS ………………………………………………………

40

5.1 Protótipo do Sistema Eletroeletrônico Programável para Monitoramento de

Equipamentos Laboratoriais ………………………………………………………...

40

5.1.1 Fontes de Energia ……………………………………………………………… 41

5.1.2 Detector de Ausência de Energia ……………………………………………... 46

5.1.3 Arduino GSM Shield …………………………………………………………... 48

5.1.4 Sinalização local ………………………………………………………………... 51

5.1.5 Circuito final …………………………………………………………………… 53

5.1.6 Montagem ………………………………………………………………………. 54

5.1.7 Custo do projeto ….……………………………………………………………. 58

5.1.8 Programação …………………………………………………………………… 59

6 ANÁLISE DOS RESULTADOS ..………………………………………………...

62

7 CONCLUSÃO …………………………………………………………………….

63

REFERÊNCIAS……………………….....…………………………………………... 65

ANEXO A - Programa Completo …………………………………………………..

68

15

1 INTRODUÇÃO

A energia elétrica é fundamental para o funcionamento de máquinas e equipamentos

em todos os setores da sociedade. A humanidade evolui de forma cada vez mais rápida, e a

utilização da eletricidade é fundamental para esse avanço.

Na rotina laboratorial, seja em laboratórios de pesquisa, laboratórios clínicos ou em

laboratórios industriais, a eletricidade é imprescindível, pois muitos equipamentos a utilizam

para seu funcionamento, tais como: freezer -80oC, freezer -20oC, centrífugas, estufas

bacteriológicas e de cultura celular, capela de fluxo laminar, termocicladores,

microcomputadores, sistemas de ventilação de biotérios, sistemas automatizados de

purificação de biomoléculas, entre vários outros de acordo com os diferentes trabalhos

desenvolvidos nestes ambientes.

A queda de energia repentina atinge diretamente esses equipamentos causando

deterioração de materiais e podendo inclusive danificar essas máquinas. Estas interrupções de

energia elétrica, que por vezes duram horas, e o consequente desligamento desses

equipamentos podem trazer muitas consequências negativas como a perda e inviabilização de

experimentos e procedimentos, perda de materiais biológicos e insumos, gastos para repetição

de experimentos/procedimentos e/ou aquisição de insumos, geração de custos de manutenção,

despendimento de tempo adicional, entre outros. Tudo isso gera perdas econômicas e desgaste

físico e mental dos profissionais que atuam nesses ambientes.

Muitas vezes, os profissionais desses ambientes não são informados sobre o

desligamento dessas máquinas e não conseguem religar ou transferir o material contido no

equipamento para outra máquina em tempo hábil. Dessa forma, um sistema de monitoramento

da energia elétrica que chega a um equipamento que seja capaz de enviar dados para seus

usuários é de grande valia para evitar ou minimizar os danos causados por esses problemas.

Formulou-se como hipótese básica orientadora do estudo que o desenvolvimento de

um sistema eletroeletrônico programável para monitoramento de equipamentos laboratoriais

de modo a aprimorar a tomada de decisão sobre as quedas de energia elétrica é viável para

evitar as diversas perdas de materiais e tempo de experimento.

16

O sistema eletroeletrônico programável é desenvolvido nesta pesquisa a partir de um

circuito integrado programável - microcontrolador. Com o microcontrolador, pode-se

controlar vários dispositivos ou ainda estar incluído em unidades de controle para os mais

diversos sistemas.

O uso de microcontroladores, sobretudo o microcontrolador Arduíno, tem como maior

vantagem a facilidade de sua utilização e o custo acessível. Assim, o dispositivo apresentado

será composto de um módulo de celular que utiliza um cartão SIM (sigla em inglês

para: subscriber identity module, em português: "módulo de identificação do assinante") pré

ou pós-pago e uma antena. Caso haja uma queda de energia, o dispositivo realizará chamadas

e enviará mensagens de textos para os celulares cadastrados. Testes foram realizados em

equipamentos, a fim de validar o sistema desenvolvido. Esse sistema trará maior segurança,

comodidade e permitirá aos usuários monitoramento dos equipamentos, evitando as perdas, o

desperdício de materiais e os acidentes que a falta de energia pode causar.

Uma grande vantagem deste sistema é a utilização dos aparelhos celulares dos

profissionais do laboratório, sem a necessidade de utilização de outro dispositivo específico

para esse fim. Além de evitar a perda de materiais durante os experimentos/procedimentos, e

consequentemente altos custos, esse dispositivo também auxiliará na segurança de

laboratórios e pessoas. Trata-se de um projeto que trará grandes benefícios para o cotidiano

laboratorial.

17

2 OBJETIVO

2.1 Objetivo Geral

Esse estudo tem como objetivo geral o desenvolvimento de um sistema

eletroeletrônico programável capaz de monitorar a alimentação elétrica de máquinas e

equipamentos laboratoriais e enviar os dados de monitoramento via mensagens de texto e

chamadas telefônicas para telefones móveis.

2.2 Objetivos Específicos

1. Determinar os componentes necessários para criação do projeto;

2. Realizar a montagem física do sistema;

3. Realizar a programação do sistema;

4. Realizar testes de funcionamento e desempenho;

5. Verificar a viabilidade e confiabilidade do projeto.

18

3 ENERGIA ELÉTRICA EM LABORATÓRIOS

3.1 Queda de energia elétrica em laboratórios

A eletricidade se tornou a principal fonte de luz, calor e força utilizada no mundo

moderno. Atividades simples como assistir à televisão ou navegar na internet são possíveis

porque a energia elétrica chega até a sua casa. Fábricas, supermercados, shoppings e uma

infinidade de outros lugares precisam dela para funcionar. Grande parte dos avanços

tecnológicos que se alcança deve-se à energia elétrica. Obtida a partir de todos os outros tipos

de energia, a eletricidade é transportada e chega aos consumidores no mundo inteiro por meio

de sistemas elétricos complexos, compostos de quatro etapas: geração, transmissão,

distribuição e consumo (Figura. 1). (ELETROBRÁS, 2017)

Figura 1: Etapas do Sistema Elétrico.

Fonte: SENAI , Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. Fundamentos de Redes de

Distribuição. Brasília, 2013. p16.

Grande parte da geração de energia elétrica concentra-se em grandes usinas

hidroelétricas e termoelétricas, apesar de haver um grande avanço para um futuro de energia

limpas e renováveis como biomassa, energia eólica e energia fotovoltaica. A transmissão de

energia elétrica por sua vez tem a função de transportar energia entre dois pontos, por linhas

de transmissão de alta potência conectadas em um sistema nacional. As linhas de transmissão

cortam todo o país.

Já a rede de distribuição de energia elétrica é um segmento do sistema elétrico,

composto pelas redes elétricas das cidades. É a rede responsável por conduzir a eletricidade

aos consumidores e é de responsabilidade das companhias distribuidoras de eletricidade,

como por exemplo a CEMIG (Companhia Energética de Minas Gerais).

19

Em caso de queda de energia elétrica, alguns laboratórios dispõem do fornecimento de

energia através de geradores. Esses geradores entram automaticamente em funcionamento

após algum tempo de ausência de energia. Porém, nem todos os laboratórios possuem esse

sistema de geradores, trazendo muitas perdas em experimentos e procedimentos laboratoriais.

Microscópios, banhos-maria, geladeiras, freezer -80oC, freezer -20oC, centrifugas, estufas

bacteriológicas e de cultura celular, capela de fluxo laminar, termocicladores,

microcomputadores, sistemas de ventilação de biotérios, sistemas automatizados de

purificação de biomoléculas entre outros equipamentos, podem parar repentinamente.

Diversas substâncias, amostras biológicas, microrganismos, entre outros utilizados em

pesquisas precisam ser armazenados a temperaturas pré-determinadas, sendo necessário o uso

de congeladores (-20oC e –80oC) ou câmaras frias para preservar estes insumos, que

geralmente, são estratégicos para os procedimentos laboratoriais. Adicionalmente, alguns

equipamentos como espectrômetros de massa e equipamentos auxiliares, como compressores

de ar comprimido, causam grandes perdas de amostras quando o fornecimento de energia

elétrica é interrompido durante o experimento. Algumas amostras muitas vezes são raras ou

únicas, e suas perdas são consideradas irreparáveis. (GONÇALVES, 2011)

Conforme Gonçalves et al. (2011), os problemas de queda de energia elétrica nas

universidades, centros onde estão localizados grande número de laboratórios de pesquisa, não

são raros. Um dos motivos é a alta densidade de arborização, que provoca interferências de

galhos e árvores na fiação elétrica aérea. Outro fator é a concentração de equipamentos com

grande demanda de energia nesses locais. Estas interrupções de energia elétrica que por vezes

duram horas, podem resultar em grandes danos à pesquisa desenvolvida nos laboratórios em

virtude da perda de materiais biológicos e insumos que necessitam permanecer congelados ou

sob refrigeração constante ou ainda que estejam passando por procedimentos específicos em

que a interrupção dos mesmos leve à sua inviabilização.

3.1.1 Equipamentos da rotina laboratorial

Refrigeradores e congeladores de laboratório são usados para armazenamento de

amostras biológicas, reagentes químicos, drogas e medicamentos. Estes materiais devem ser

armazenadas em um lugar fresco e seco, para fins de preservação. Os congeladores de

20

laboratório geralmente armazenam amostras biológicas e de sangue a uma temperatura na

faixa de -25 a -15 oC. (GEILIN, 2013)

As amostras biológicas, como as vacinas, são armazenadas à temperatura mínima para

aumentar de forma significativa a sua longevidade. Em alguns laboratórios médicos de alta

tecnologia, processo de congelamento criogênico é seguido com a ajuda de ferramentas e

equipamentos especializados. Tal conceito é capaz de criar excepcionalmente baixa

temperatura. Existem congeladores de duplo compressores disponíveis que apresenta a

capacidade de produção de ultrabaixa temperatura na gama de -50 oC ou menos. No entanto,

estes tipos de congeladores de laboratório são muito ruidosos durante a operação. Eles

também geram mais calor e exigem maior quantidade de energia para fins de funcionamento.

Refrigeradores e congeladores de laboratório armazenam amostras especiais necessárias para

a realização de vários experimentos biológicos. A maioria dos experimentos biológicos e

trabalhos de investigação são realizadas sob o controle preciso da temperatura. (GEILIN,

2013)

Estufas para laboratórios têm objetivo de acumular e conter o calor ou o resfriamento

no seu interior, mantendo assim a temperatura adequada para os conteúdos nelas depositados,

por isso são importantes em qualquer laboratório. As estufas contêm um termômetro e um

sistema de controle responsável por manter a temperatura adequada sem alterações

involuntárias. Popularmente a estufa é conhecida como um aparelho elétrico utilizado para

secagem de substâncias sólidas, evaporação lenta de líquido, armazenagem de substâncias

líquidas com temperaturas baixas, secagem de vidrarias, cultivo de células e tecidos, etc.

Além de laboratórios, estufas também são utilizadas para esterilização, sendo encontradas em

consultórios médicos, odontológicos, farmácia de manipulação, clínica de estética entre

outros. Para cada ambiente há uma estufa própria e do tamanho adequado para o seu uso.

(MAX LABOR, 2017)

A Figura 2 é do Laboratório Físico-Químico da Faculdade de Farmácia da

Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG).

21

Figura 2: Laboratório Físico-Químico – Faculdade de Farmácia da UFMG.

Fonte: https://www.farmacia.ufmg .br/atividades/infraestrutura/laboratorio-fisico-quimico-

cedafar-ufmg/. Acesso em 15 de Abril de.2018.

As Figuras 3 e 4 são do Centro de Pesquisa e Desenvolvimento de Fármacos do

Instituto de Ciências Biológicas (ICB) – UFMG. Muitos profissionais utilizam esses

laboratórios para desenvolvimento de pesquisas e soluções.

Figura 3: Centro de Pesquisa e Desenvolvimento de Fármacos.

Fonte: próprio autor.

É possível perceber a grande quantidade de equipamentos utilizados em laboratórios

de pesquisa. Cada equipamento possuí uma função específica e tem sua importância.

22

Figura 4: Equipamentos do Centro de Pesquisa e Desenvolvimento de Fármacos.


A seguir, são apresentados alguns dos equipamentos utilizados em laboratórios de

pesquisa (Figuras 5 a 10).

Freezer -20°C – Destinado ao armazenamento e conservação de reagentes e amostras

de forma segura.

Figura 5: Freezer -20oC – ICB – UFMG.


Incubadora - Utilizada para cultivo de células, como fungos e bactérias.

23

Figura 6: Incubadora – ICB – UFMG.


Freezer - 80°C - Destinado ao armazenamento de células, amostras biológicas, RNA,

reagentes, etc.

Figura 7: Freezer -80°C – ICB – UFMG.


Incubadora de CO2 laboratorial - Utilizada para simulação de parâmetros naturais,

permitindo o crescimento e desenvolvimento de células de mamíferos, parasitas e outros em

cultura.

24

Figura 8: Incubadora de CO2 – ICB – UFMG.


Estufa Incubadora – destinada a fornecer temperatura adequada para reprodução ou

crescimento de microrganismos e também para manutenção de amostras orgânicas. Para isso,

o equipamento proporciona o aquecimento da superfície e também o controle da temperatura.

Figura 9: Estufa Incubadora – ICB – UFMG.


Devido sua aplicação, a estufa incubadora de laboratório é muito utilizada em

laboratórios de pesquisas, farmacêuticos, de tecnologia de alimento e de medicina. É um

produto de qualidade que alcança alta performance.

25

Incubadora com Agitação Orbital - Utilizada para incubação de amostras que

necessitem de agitação orbital e temperatura controlada, como meios de cultura para

crescimento de microrganismos e análises bioquímicas.

Figura 10: Incubadora com Agitação Orbital – ICB – UFMG.


3.1.2 Acidente em ambiente laboratorial

Como destacou-se, a queda de energia repentina atinge diretamente os equipamentos

laboratoriais, causando deterioração de materiais e podendo inclusive danificar essas

máquinas. Perdas de materiais biológicos e inviabilização de experimentos se tornam comuns

nesses ambientes. Além disso há também o risco de acidentes graves, colocando em risco a

vida humana.

No dia 12 de dezembro de 2016, um laboratório da Universidade Federal de Juiz de

Fora (UFJF), na Zona da Mata, foi atingido por um incêndio, seguido de explosão. Segundo a

instituição, o caso ocorreu no Laboratório de Espectroscopia e Estrutura Molecular, do

Departamento de Química do Instituto de Ciências Exatas (ICE). (R7, 2018)

A suspeita inicial é de que tenha ocorrido um problema elétrico na geladeira ou falta

de energia. Acredita-se que os produtos reagentes, ao ficarem sem refrigeração, provocaram a

explosão, seguida de combustão. O laboratório precisou ser isolado (Figura 11).

26

Figura 11: Acidente por falta de energia – UFJF.

Fonte: https://noticias.r7.com/minas-gerais/explosao-causa-incendio-em-laboratorio-da-ufjf-

12122016. Acesso em 25 de Abril de 2018.

3.1.3 Soluções já existentes no mercado

No mercado, existem algumas soluções para manter equipamentos e máquinas

funcionando na ausência de energia elétrica fornecida pela concessionária de energia. Trata-se

de nobreaks e geradores elétricos. Um nobreak ou UPS (Uninterruptable Power Supply -

Fonte de Energia Ininterrupta, na sigla em inglês) é um condicionador que regula a tensão e a

pureza da energia que chega até os equipamentos conectados a ele. Além disso, nobreak

também é responsável por alimentar os dispositivos, em caso de queda de energia, através de

uma bateria. O esquema de funcionamento do nobreak pode ser visto na Figura 12.

Figura 12: Esquema de funcionamento do Nobreak.

Fonte: http://www.smartups.com.br/white_papers/Diferentes%20Tipos%20de%20No-Break

%20(Fonte%20apcmedia).pdf . Acesso em 21 de Março de 2018.

27

Com a presença de energia elétrica, o nobreak (Figura 13) regula a tensão e filtra

interferências, sobretensão, subtensão e outras anomalias comuns do sistema elétrico. Na

ausência de energia elétrica, o nobreak utiliza a bateria interna para manter o equipamento

funcionando. A comutação é feita de forma automática e a bateria é recarregada quando a

energia elétrica da rede é restabelecida. (ARCELOR, 2015)

Figura 13: Nobreak.

Fonte: http://www.logmaster.com.br/?produtos=S%C3%A9rie+NB+G3-6 Acesso em 25 de

Março de 2018..

Os nobreaks são medidos por números que representam sua potência, em VA

(voltampere). Isto indica quanta energia a bateria pode produzir quando não houver energia, o

que está diretamente associado ao tempo que ele é capaz de manter o equipamento ligado.

Mas isso também depende do número de aparelhos ligados a ele e qual o consumo de cada um

desses aparelhos.

A maioria dos nobreaks fornecem apenas 15 minutos de energia para um computador,

por exemplo. Para manter equipamentos laboratoriais funcionando na ausência de energia, é

necessário utilizar nobreaks de grande potência, cujo valor é muito elevado.

Um freezer -20oC por exemplo, pode chegar a consumir 1300W de potência. Para

manter esse equipamento funcionando durante cerca de 1 hora, é necessário utilizar um

nobreak que suporte essa potência, e seu custo é aproximadamente R$1300,00.

28

Outra opção, mas que requer um projeto mais elaborado e um grande investimento, é a

utilização de geradores elétricos. Algumas universidades e empresas laboratoriais já utilizam

da tecnologia dos geradores. São chamados de grupo gerador a diesel e, assim como os

nobreaks, entram em funcionamento automaticamente quando há ausência de energia elétrica

na rede.

O grupo gerador é constituído de um motor diesel acoplado a um gerador. Quem

desenvolveu o primeiro motor a diesel foi o engenheiro Rudolf Diesel, no período de 1893 a

1898 em Augsburg, na Alemanha. (PEREIRA, 2018).

Apesar de garantir o funcionamento das máquinas e equipamentos na falta de energia

elétrica da rede, a utilização de geradores a combustível possuí algumas características, tais

como:

produzem ruídos elevados que podem prejudicar a audição;

emitem uma quantidade perigosa de gases nocivos à saúde. Em alguns países os

termos de política do controle das emissões condenam tais níveis de poluição;

geradores a diesel produzem fumaça;

o processo de instalação é lento e tem um custo elevado;

o gerador apresenta um custo de manutenção constante aliado a custos de revisões

frequentes, o que gera alto custo a longo prazo;

dependência total de combustíveis fósseis para a produção de energia, deixando o

proprietário vulnerável e prejudicado pelo aumento no preço dos combustíveis;

requer cuidados adicionais e medidas de segurança para prevenir incêndios,

vazamentos e contaminações;

o serviço de pós-venda dos geradores tende a ter um custo elevado, pois seus

componentes são caros e de difícil manuseio;

combustíveis fósseis são um recurso finito que sofrem uma série de taxações sendo

cada vez mais difícil prever o seu preço.

A Figura 14 mostra um gerador Diesel da empresa STEMAC Grupos Geradores.

29

Figura 14: Gerador a Diesel.

Fonte: http://www.stemac .com.br/PT/produtos/Paginas/GruposGeradoresDiesel.aspx. Acesso

em 21 de Maio de 2018.

Percebe-se, portanto, que para manter os equipamentos laboratoriais funcionando na

ausência de energia elétrica utilizando geradores elétricos, é necessário um certo

investimento, que varia de acordo com a potência total dos equipamentos que se deseje

manter ligado.

30

4 TECNOLOGIA MICROCONTROLADA

Esse capítulo tem como objetivo apresentar os conceitos e a importância da utilização

da tecnologia microcontrolada em projetos e soluções.

4.1 Microcontroladores

Microcontrolador (Figura 15) é um circuito integrado programável que possui todos os

componentes de um computador como a unidade central de processamento (CPU), memória

para armazenar programas, memória de trabalho, portas de entrada e saídas para comunicar-se

com o mundo exterior, sistema de controle de tempo interno e externo, conversores analógico-

digital e outros. (SILVA, 2006)

Figura 15: Microcontrolador Atmel.

Fonte: McROBERTS, Michael. Arduino básico / Michael McRoberts; [tradução Rafael

Zanolli]. -- São Paulo : Novatec. Editora, 2011, p37.

O microcontrolador é também definido como um dispositivo semicondutor em forma

de circuito integrado, que integra as partes básicas de um microcomputador –

microprocessador, memórias não-voláteis e voláteis e portas de entrada e saída. (GIMENEZ,

2005)

Souza (2005), informa que a memória de dados utilizada pelo microcontrolador é a

memória de acesso aleatório, do inglês Random Access Memory (RAM) que armazena todas

as variáveis e registradores utilizados pelo programa. Na memória de dados pode-se ler,

escrever e modificar, em qualquer instante, qualquer registrador do programa.

31

O microcontrolador é um pequeno computador em um circuito integrado único, que

integra elementos de processador, memória e periféricos de entrada e saída. Ele pode ser

programado para funções específicas e fica embarcado em produtos comercializados para

controlar suas ações, como ligar e desligar aparelhos, acionamento de motores,

operacionalização de relógios digitais, monitores de pressão arterial, glicosímetro e em

armamento militar. (PEREIRA, 2008)

Martins (2005) afirma que existem vários tipos de microcontroladores. Segundo este

autor, o que os diferencia são: a velocidade do processamento; a quantidade de memória

interna disponível para armazenar dados (memória de dados) e para armazenar as instruções

de programas (memória de programa); a quantidade de pinos de entrada e saída, a forma de

alimentação, os tipos e as quantidades de periféricos, a arquitetura e o conjunto de instruções

disponibilizado nos circuitos internos.

O uso de microcontroladores em variados dispositivos possibilitou o acesso das

pessoas e a inclusão da tecnologia como ferramenta fundamental para sucesso nas atividades

diárias, profissionais, acadêmicas, lazer e saúde. As pessoas podem programar o

microcontrolador com uso de linguagens de programação como Assembly, C e C++,

programas que podem ser desenvolvidos para monitorar e adquirir entradas e aceitar

informações, gerar a saída, como a de exibição em uma tela. (PEREIRA, 2008)

Silva (2006) destaca que cada tipo de microcontrolador serve para um propósito e cabe

ao projetista selecionar o melhor microcontrolador para o seu trabalho.

O microcontrolador é o componente chave para a correta tomada de decisões no

sistema de controle do projeto a ser desenvolvido e, graças à capacidade de ser programado,

dá ao projeto extrema flexibilidade. Seu uso se faz necessário quando um circuito precisa

realizar operações e procedimentos que variam conforme estímulos ou condições de

ambiente, comando e procedimento, análises e correções, entre outros. (SILVA, 2013)

Atualmente é comum o uso de microcontroladores no controle de processos

industriais. Um microcontrolador é um sistema microprocessado encapsulado em um único

chip, com memórias, clock e periféricos mais limitados que um computador. O uso desses

circuitos integrados não somente reduz custo da automação como também propicia mais

32

flexibilidade. Dentre as plataformas de desenvolvimento que utilizam microcontroladores, o

Arduino tem ganhado um grande destaque. (GOMES; TAVARES, 2013)

O uso de microcontroladores em variados dispositivos possibilitou o acesso das

pessoas e a inclusão da tecnologia como ferramenta fundamental para sucesso nas atividades

diárias, profissionais, acadêmicas, lazer e saúde.

Conforme Silva (2006), microcontrolador é um circuito integrado programável que

possui todos os componentes de um computador (memórias, portas de entrada e saídas

sistema de controle de tempo interno e externo e outros). Com o microcontrolador, pode-se

controlar qualquer dispositivo ou estar incluído em unidades de controle para os mais diversos

sistemas, tais como:

máquinas dispensadoras de produtos;

máquinas pneumáticas, hidráulicas comandadas;

motores;

temporizadores;

sistemas autônomos de controle;

telefonia;

automóveis;

medicina.

4.1.1 Memória de Programa

De acordo com Souza (2005), alguns modelos de microcontroladores, possuem

memória de programa do tipo EPROM (sigla do inglês "erasable programmable read-only

memory", significando "memória programável apagável somente de leitura"), que só pode ser

gravada uma vez para microcontroladores normais ou gravada várias vezes no caso de

microcontroladores janelados (podem ser apagados por meio de luz ultravioleta). Outros

modelos de microcontroladores possuem a memória de programa do tipo flash, o que permite

que um programa possa ser gravado muitas vezes sem que a gravação anterior seja apagada.

Isto permite uma facilidade maior para se trabalhar, porém são de custo mais elevado.

33

4.1.2 Memória de Dados

Segundo Souza (2005), a memória de dados utilizada pelo microcontrolador do tipo

RAM armazena todas as variáveis e registradores utilizados pelo programa. Na memória de

dados pode-se ler, escrever e modificar, em qualquer instante, qualquer registrador do

programa. A única limitação consiste de que alguns desses registradores desenvolvem funções

especiais para o microcontrolador que não podem ser utilizados para outra função a não ser

àquela a qual estão reservados. Assim que o microcontrolador é desligado, a memória de

dados é perdida.

4.1.3 Memória EEPROM

Segundo Souza (2005), a memória Electrically Erasable Programmable Read Only

Memory (EEPROM) interna ao microcontrolador pode ser utilizada pelo usuário para guardar

dados permanentes. Porém, ao contrário da memória RAM, a memória EEPROM é uma

memória não volátil, que consegue manter as informações mesmo sem alimentação. Alguns

modelos de microcontroladores não possuem esse tipo de memória, mas podem utilizar esse

recurso adicionando uma memória EEPROM externa.

4.1.4 Arduino

Um Arduino é um pequeno computador que se pode programar para processar

entradas e saídas entre o dispositivo e os componentes externos conectados a ele. Caracteriza-

se por uma plataforma de computação física ou embarcada, ou seja, um sistema que pode

interagir com o ambiente por meio de hardware e software. (ROBERTS, 2011)

O microprocessador Arduino surgiu na Itália, desenvolvido na cidade de Ivrea, em

2005, com a intenção de uso em projetos escolares, devido ao baixo custo. Ele se baseia em

hardware livre para prototipagem eletrônica, de placa única, com suporte de entrada, saída e

linguagem de programação C/C++. A placa Arduino contém um controlador, linhas de

entradas e saídas digitais e analógicas, interface serial ou Universal Serial Bus (USB),

interligando o hospedeiro, que possui a programação e interage em tempo real. Este

microcontrolador não possui recurso de rede mas pode combinar um ou mais Arduinos deste

modo e usar extensões, conhecidas como Shields. (HOLZNER et al., 2001)

34

Uma grande vantagem da utilização do Arduino, é que todo material disponibilizado

pelo fabricante, como a IDE (Integrated Development Environment ou o termo equivalente

em português, Ambiente de Desenvolvimento Integrado) de desenvolvimento, bibliotecas e

até mesmo o projeto eletrônico das placas são open-source, ou seja, é permitida a utilização e

reprodução sem restrição sobre os direitos autorais dos idealizadores do Arduino. O nome

Arduino, logotipo e o design gráfico de suas placas são registrados e protegidos por direitos

autorais. Com isso várias pessoas em todo o mundo contribuem com a plataforma, seja com a

construção de um novo hardware ou com novas bibliotecas, materiais de apoio e tutoriais.

(HACHOUCHE, 2018)

O kit de desenvolvimento Arduino pode ser visto como uma unidade de

processamento capaz de converter variáveis do ambiente externo, transformadas em um sinal

elétrico correspondente, através de sensores ligados aos seus terminais de entrada. De posse

da informação, ele pode processá-la computacionalmente. E pode ainda atuar no controle ou

no acionamento de algum outro elemento eletroeletrônico conectado ao terminal de saída.

(RENNA et al., 2013)

Segundo Justen (2016), as principais diferenças entre um computador e um Arduino é

que o segundo possui tamanho e capacidade de processamento menores que o primeiro. Isso

se deve ao fato de o computador ter uma interface com o usuário mais sofisticada, uma vez

que utilizamos vários softwares nessas máquinas em nosso cotidiano. Além disso, o Arduino

utiliza dispositivos diferentes para entrada e saída. Em um computador utiliza-se teclado e

mouse como dispositivos de entrada e monitores e impressoras como dispositivos de saída;

enquanto que no Arduino, os dispositivos de entrada e saída são circuitos eletroeletrônicos.

Utilizado por alunos, professores e pessoas interessadas em criar protótipos,

facilitando a popularização da plataforma através da troca de informações pelos usuários, o

Arduino possuí características que fazem com que ele seja uma escolha para muitos projetos.

Entre elas, pode-se citar o regulador de tensão de entrada, que pode utilizar fontes de

alimentação de tensão entre 6 a 20 volts; saída de alimentação de 3,3 e 5 volts para ligar

componentes ao hardware sem necessitar de outra fonte; conectores nas portas de entrada e

saída do microcontrolador para integrar outros componentes; ambiente de desenvolvimento de

algoritmos próprios e upload por porta USB. (SOUZA, 2011)

35

Algumas versões de Arduíno podem ser encontradas no mercado, com preços,

velocidade de processamento, tamanho da memória e outras especificações próprias. Uma

característica comum entre as várias versões é o custo relativamente baixo e a flexibilidade.

Os principais modelos são o Arduino Pro Mini, o Arduino Uno e Arduino Nano e o Arduino

Mega. O Arduíno Nano é menor em tamanho, mas muito parecido nas especificações do Uno,

porém pode ser plugado diretamente sobre uma protoboard facilitando a construção de

protótipos. (CAVALCANTE; TAVOLARO; MOLISANI, 2011).

Tabela 1 – Tipos de Arduino e principais especificações

UNO MEGA 2560 LEONARDO DUE ADK NANO PRO

Mini ESPLORA

Microcontrolador ATmega328 ATmega2560 ATmega32u4 AT91SAM3X8E ATmega2560 ATmega168 ou

ATmega328 ATmega168 ATmefa32u4

Portas Digitais 14 54 20 54 54 14 14 -

Portas PWM 6 15 7 12 15 6 6 -

Portas

Analógicas 6 16 12 12 16 8 8 -

Memória 32K 256K 32K 512K 256K 16K ou 32K 16K 32K

Clock 16MHz 16MHz 16MHz 84MHz 16MHz 16MHz 8MHz ou

16MHz 16MHz

Conexão USB USB Micro USB Micro USB USB USB Mini

Serial /

Módulo

USB

externo

Micro USB

Conector para

alimentação

externa

Sim Sim Sim Sim Sim Não Não Não

Tensão de

operação 5V 5V 5V 3,3V 5V 5V 3,3V ou 5V 5V

Corrente máxima

portas E/S 40mA 40mA 40mA 130mA 40mA 40mA 40mA -

Alimentação 7 – 12 VDC 7 – 12 VDC 7 – 12 VDC 7 – 12 VDC 7 – 12 VDC 7 – 12 VDC

3,35 –

12VDC ou

5 – 12 VDC

5VDC


36

O Arduino Mega é a mais robusta das placas do Arduino. Ela vem equipada com um

microcontrolador da ATMega2560, sendo que a sua memória flash é de 256 KB (quilobytes).

Ideal para quem quer realizar um trabalho que precisa de várias entradas, afinal o Arduino

Mega possui 54 portas de entrada e/ou saída. (EVANS; NOBLE; HOCHENBAUM, 2013)

A seguir, são apresentados alguns tipos de arduino.

Figura 16: Diferentes tipos de Arduíno.

Fonte: http://www.professorakeila.com.br/2018/04/01-o-que-e-arduino.html. Acesso em 28 de

Julho de 2018.

Graças ao Arduino, estudantes e profissionais ganharam uma poderosa ferramenta de

criação, que aliada a internet tornou possível que o conhecimento fosse compartilhado e

expandido. (OLIVEIRA; CARVALHO, 2014)

Conforme Oliveira e Carvalho (2014), um Arduino geralmente segue um padrão,

possuindo uma entrada USB, uma entrada para uma fonte de alimentação externa, pinagem

para controle de sinais de entradas e saídas, pinagem de terra e alimentação do

37

microcontrolador, assim como entradas analógicas. O centro do Arduino é o seu chip

microcontrolador.

A conexão USB com o computador também é uma forma de despejar o código na

placa do Arduino. A partir desta conexão com o computador, o Arduino pode ser configurado

facilmente e de forma bem descomplicada. (OLIVEIRA; CARVALHO, 2014)

Na Figura 17 observa-se as partes principais do arduino UNO: conector USB, pinos

digitais, pinos analógicos, pinos de alimentação, conector de alimentação e botão de reset.

Figura 17: Foto do Arduíno UNO, visto de cima.

Fonte: SCHMIDT, Maik. Arduino – A Quick Start Guide. Raleigh, North Carolina Dallas,

Texas, 2011. p27.

As principais partes constituintes do Arduino UNO são:

microcontrolador Atmel Atmega 328P. É o cérebro do Arduino. Um computador

inteiro dentro de um pequeno chip. Trata-se do dispositivo programável que roda o

código que enviamos à placa;

clock de 16 MHz (cristal de quartzo);

conector para alimentação em corrente contínua;

regulador de Tensão;

38

conector USB com conversor USB-Serial integrado;

botão de Reset;

14 Pinos digitais;

6 Pinos analógicos;

pinos de alimentação;

LED (Light Emitting Diode, que significa “diodo emissor de luz) indicador de

funcionamento;

LED indicador de atividade de comunicação serial para recepção (RX);

LED indicador de atividade de comunicação serial para transmissão (TX);

LED integrado ao pino digital 13.

Monk (2014) afirma que a disposição dos conectores do Arduino permite que placas,

denominadas “shields”, possam ser conectadas de forma fácil. É possível utilizar shields já

montados para serem utilizados com os mais diferentes propósitos, incluindo:

conexão com rede Ethernet;

displays LCD (Liquid Crystal Display que em português significa "tela de cristal

líquido") e telas de toque;

WIFI (abreviação de “Wireless Fidelity”, que significa fidelidade sem fio, em

português);

áudio;

controle de motor;

rastreio por GPS (Global Positioning System, que em português significa “Sistema de

Posicionamento Global”).

Centenas de outros shields são encontrados no mercado. E muitos outros surgem a

cada dia. São shields para controle, detecção de sinais, acionamentos de dispositivos, etc.

Para Justen (2011), apesar de o Arduino ser um computador independente, ele ainda

necessita de uma integração com computadores, que pode ser feita através de porta USB,

aonde pode-se desenvolver um software e rodar no próprio Arduino. Para que seja

programado o Arduino usa um Ambiente de desenvolvimento de softwares (IDE) próprio que

39

pode ser conseguida no site do próprio projeto, todo o código feito para o Arduino é chamado

de sketch, a Figura 18 demonstra a interface da IDE do Arduino:

Figura 18: IDE para programação do Arduino.

Fonte: http:// http://www.cursodearduino.com.br/. Acesso em 10 de Março de 2017.

A IDE do Arduino é muito simples e objetiva, tornando todo o processo de

desenvolvimento e gravação bastante intuitivo. Além do espaço em branco destinado ao

desenvolvimento do programa, existem 6 botões na parte superior: Verify, Upload (destacado

de vermelho), New, Open, Save e Serial Monitor. Eles são utilizados, respectivamente para

verificar se existem erros no código, enviar (gravar) o programa no Arduino, criar um novo

código, abrir um código existente e um monitor de dados da porta serial. (HACHOUCHE,

2018)

40

5 MATERIAIS E MÉTODOS

Nessa seção serão apresentados os critérios selecionados para a montagem,

equipamentos utilizados, detalhes e configurações de hardware e software utilizados para a

criação do Sistema Eletroeletrônico Programável para Monitoramento de Equipamentos

Laboratoriais.

5.1 Protótipo do Sistema Eletroeletrônico Programável para Monitoramento de

Equipamentos Laboratoriais

O Sistema Eletroeletrônico Programável para Monitoramento de Equipamentos

Laboratoriais pode ser utilizado em qualquer ambiente, possibilitando o monitoramento

contínuo da energia elétrica e assim detectar sua ausência no equipamento que se deseja

monitorar.

Para a montagem do protótipo desse estudo foram avaliados recursos tecnológicos

com intenção de facilitar o manuseio do aparelho, baixo custo para montagem, segurança,

confiabilidade e possibilidade de envio de mensagens e realização de chamadas. A plataforma

escolhida para desenvolvimento do programa foi a dos Microcontroladores Arduíno Uno

devido ao baixo custo, flexibilidade e confiabilidade.

O IDE permite o desenvolvimento do software e o código gerado é enviado para a

placa o que possibilita a gravação no chip controlador. O software usado na placa denomina-

se firmware.

Com o presente trabalho realizou-se uma pesquisa para desenvolvimento do protótipo.

Foi utilizado um microcontrolador arduíno Uno, um shield para envio de mensagens e

chamadas telefônicas, um shield regulador de tensão, um shield detector de tensão, uma

bateria, um carregador de bateria, cabos e conexões diversas.

Antes da aquisição dos materiais, foi realizado simulações e montagens nos

laboratórios do Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (SENAI), no Centro

Tecnológico de Eletroeletrônica César Rodrigues (CETEL), em Belo Horizonte.

Para a simulação do projeto, foi utilizado o software PROTEUS, uma ferramenta para

desenvolvimento de aplicações eletrônicas, e que permite desenvolver projetos através de

circuitos esquemáticos, simulações e layout’s.

41

O circuito esquemático desenvolvido pode ser visto na Figura 19.

Figura 19: Esquema eletroeletrônico do projeto.


5.1.1 Fontes de Energia

Para o funcionamento contínuo do projeto, foi utilizado um circuito carregador de

bateria. Ele é a fonte principal de energia do projeto e é representada pelo circuito da Figura

20 a seguir.

Figura 20: Fonte elétrica principal.


42

Optou-se por adquirir a fonte devido ao baixo custo, pequeno espaço de ocupação e

estabilidade da tensão de saída.

O carregador (Figura 21) é responsável por alimentar o circuito, além de carregar

constantemente a bateria, garantindo assim o pleno funcionamento do projeto, mesmo na

ausência de energia elétrica da rede. Como o carregador é bivolt, o circuito pode funcionar

tanto em 127V como em 220V (comutação automática).

Figura 21: Carregador de bateria.

Fonte: http://www.megatronic.ind.br/home/. Acesso em 20 de Março de 2018.

O carregador pode também ser utilizado para carregar vários tipos de baterias de 12V

com até 150A além da chumbo-ácido, como baterias seladas e gel. Destaca-se o baixo

consumo de energia do carregador. É possível visualizar o status do carregador através de

Led’s indicadores (carregando e carregado).

A tensão de saída do circuito é de 13,8 VCC (Tensão em Corrente Contínua) e

consegue fornecer até 2A de corrente, garantindo o pleno funcionamento do projeto.

Para carregar a bateria do projeto, considerando a mesma totalmente descarregada, é

necessário em média 3,5 horas. O carregador pode ficar ligado por tempo indeterminado sem

riscos de danificar a bateria.

43

A fonte de energia do projeto quando há queda de energia elétrica é composta por uma

bateria de chumbo-ácido selada de 12V e de 7Ah (Figura 22). É a mesma bateria utilizada em

sistemas de segurança, alarme e monitoramento.

Figura 22: Bateria UNIPOWER.

Fonte: https://unipower.com.br/produto/bateria-estacionaria-vrla-12v-7ah-mod-up1270e/.

Acesso em 20 de Janeiro de 2018.

Algumas características podem ser citadas: (UNIPOWER, 2018)

conector tipo terminal Faston F187 com posição D;

resistente a elevadas taxas de descarga;

opera em larga faixa de temperatura;

pode operar em várias posições;

tensão da bateria: 12V;

capacidade nominal: 7Ah;

resistência interna: 24 mΩ (Plena Carga a 25 °C);

corrente de curto circuito: 130A;

corrente máxima de descarga: 65A;

dimensões: 6,5 / 15,1 / 10 cm (Prof / Larg / Alt);

peso: 1.948 gramas.

44

Para o circuito do projeto, a autonomia chega a 28 horas, o que caracteriza uma

autonomia considerável para os objetivos em questão. É possível também trocar a bateria por

outras com maiores ou menores autonomias, desde que se mantenha a tensão de 12V.

Para manter o funcionamento do sistema com segurança, optou-se por utilizar um

regulador de tensão ajustável para manter a tensão no Arduino fixa em 9V. Para isso adquiriu-

se um módulo regulador de tensão LM2596 (Figura 23).

Figura 23: Regulador de tensão.


Soldaram-se cabos e colocou-se conectores para facilitar as ligações físicas do projeto.

A montagem com cabos e conectores é vista na Figura 24.

Figura 24: Regulador de tensão com conectores.


45

O módulo regulador de tensão LM2596 trabalha como um conversor CC CC (Corrente

contínua) e é capaz de suportar uma carga de até 3A com ótima eficiência. A tensão de saída

pode ser ajustada entre 1,5 a 35V, tendo como entrada 3,2 a 40V. Possui uma velocidade de

comutação de 150KHz. Essas características atendem tranquilamente as especificações do

projeto.

Especificações do módulo regulador de tensão LM2596:

tensão de entrada: 3,2-40V;

tensão de saída: 1,5-35V (ajustável, entrada deve ser 1,5V maior que a saída);

corrente de saída: 2A corrente nominal, 3A máxima;

velocidade de comutação: até 150KHz;

temperatura de operação: -40 a 85 ;

dimensões: 50x23mm;

No circuito do projeto, o regulador é utilizado antes da alimentação do Arduino e do

Shield SIM900, não importa se a alimentação principal é do carregador ou da bateria. Testes

foram realizados para o ajuste do regulador (Figura 25).

Figura 25: testes com o regulador de tensão.


A tensão ajustada no regulador foi de 9V, tensão adequada para o funcionamento do

arduíno e módulo GSM.

46

5.1.2 Detector de Ausência de Energia

Para a detecção da queda de energia, foram realizadas simulações no software

PROTEUS e testes em bancada. O circuito do sensor detector de tensão pode ser visto na

Figura 26 a seguir:

Figura 26: Circuito detector de tensão.


O circuito foi montado e testado em bancada, e após todos os ajustes necessários,

funcionou com sucesso. A Figura 27 mostra os primeiros testes realizados.

Figura 27: Testes em bancada.


47

Optou-se pela utilização do sensor de tensão AC P8 (Figura 28) para detecção da

ausência de tensão e envio dessa informação ao Arduino. Um circuito simples e de fácil

implementação.

O sensor de tensão AC P8 é um módulo eletrônico desenvolvido capaz de detectar

tensões AC 127V/220V por meio de suas conexões, informando aos sistemas

microcontroladores em que estiver instalado, entre eles, o Arduino, se há ou não a existência

de tensão.

A calibração do sensor é feita manualmente através de um Trimpot, diferente dos

modelos do mercado, que a calibração tem que ser feita via software.

Para maior segurança o sensor conta com um optoacoplador para fazer o isolamento

da rede AC e do sinal CC enviado para o microcontrolador e possuí apenas três pinos para

conexão com o Arduino, dois pinos para alimentação e um pino para o sinal (VCC, GND,

OUT).

VCC - Ligado ao 5V do Arduino;

OUT - Ligado a uma porta analógica do Arduino;

GND - Ligado ao GND do Arduino;

Figura 28: Sensor detector de tensão.


48

Através de suas características, o módulo sensor de tensão AC pode realizar a análise

de níveis de tensão através de uma porta analógica, podendo realizar a leitura de valores de

forma rápida e eficaz trazendo confiabilidade e segurança ao projeto.

5.1.3 Arduino GSM Shield

O Shield GSM permite conectar o microcontrolador Arduino à rede GSM,

aprimorando ainda mais sua forma de utilização.

Um grande benefício do Shield GSM é o seu formato, que proporciona maior

facilidade e rapidez na instalação junto ao Arduino.

O shield GSM é uma placa baseada no módulo wireless SIM900 que é capaz de

encaminhar serviços de telefonia móvel como, por exemplo, ligações de voz, envio de SMS e

troca de dados via Internet. A Figura 29 a seguir demonstra o shield GSM SIM900.

Figura 29: Shield GSM SIM900.


Na parte central do shield encontra-se o chip SIM900. Nas laterais, encontra-se os

pinos comuns do Arduino (portas analógicas/digitais), e na parte de trás, encontra-se o

adaptador para o cartão SIM compatível com todas as operadoras.

Além das entradas mencionadas acima, o shield GSM possui duas entradas P2, uma

entrada específica para microfone e outra para um agente externo reprodutor de áudio.

49

A Figura 30 mostra a face superior do módulo shield GSM SIM900.

Figura 30: Face posterior do shield GSM SIM900.


Através dos métodos de SMS (Serviço de Mensagens Curtas), áudio e serviços GPRS

(Serviço de Rádio de Pacote Geral) o shield GSM é capaz de receber e realizar o envio de

dados do Arduino para locais remotos junto de seu telefone celular GSM.

Compatível com as plataformas de prototipagem Arduino UNO e MEGA, o shield

GSM é controlado e configurado através do sistema integrado UART (Universal

Asynchronous Receiver/Transmitter), sendo assim o shield GSM funciona como um telefone

celular.

Características:

Shield compatível Arduino UNO e MEGA;

conexão junto à rede GSM;

maior facilidade e rapidez de instalação junto ao Arduino;

baseado no módulo wireless SIM900;

capaz de receber e realizar o envio de dados de locais remotos;

operação semelhante a um telefone celular;

comunicação rápida e completa à distância;

50

recebe e envia mensagens curtas de texto;

realiza e recebe chamadas de voz;

troca de dados via Intenet (GPRS);

suporte de cartão SIM para todas as operadoras;

compartimento para pilha 2032;

entradas P2 para microfone e agentes externos de reprodução de áudio.

Pode-se ligar e desligar o módulo GSM com o botão liga / desliga na lateral do shield.

Outra opção, que foi utilizada no projeto, é soldar o conector R13 e definir o pino D9 como

HIGH por um segundo (no programa), fazendo com que o módulo seja ligado

automáticamente.

Testes com o Shield foram realizados em bancada (Figuras 30 e 31).

Figura 31: Teste do Shield GSM SIM900.


Os testes foram importantes para conhecimento do shield e configuração do programa

de maneira correta.

51

Figura 32: Teste do módulo GSM SIM900.


Especificações do shield SIM 900:

Tensão de operação: 5V;

Baixo consumo de energia: 1,5mA;

Temperatura de Operação: -40°C a +85 °C;

Dimensões: 69 x 53mm;

Peso: 70g;

5.1.4 Sinalização local

Para sinalizar a ausência de tensão, decidiu-se montar uma placa com Led’s e um

buzzer para indicação local do equipamento. A placa possuí um Led vermelho para indicar

ausência de energia e um Led verde para indicar presença de energia.

Segundo Boylestad et al (2004, p. 29) o LED é um diodo que, quando energizado,

emite luz visível. Em uma junção p-n polarizada diretamente, existe uma recombinação de

lacunas e elétrons. Durante essa recombinação, a energia do elétron livre não ligado é

liberada. Parte desta energia que é liberada será emitida na forma de calor e parte na forma de

fótons. No silício e germânio, grande parte dessa energia liberada é na forma de calor, e a luz

emitida é insignificante. Em outros materiais, como fosfeto de arsênio de gálio (GaAsP) ou

fosfeto de gálio (GaP), o número de fótons de energia luminosa é suficiente para criar uma

52

fonte de luz visível. Esse processo de emissão de luz, aplicando-se uma fonte elétrica de

energia, é chamado de eletroluminescência. Os diodos emissores de luz possuem grandes

qualidades:

Tempo rápido de resposta;

Bons níveis de contraste para visibilidade;

Baixa potência;

Tempo útil de vida de 100.000 horas ou mais;

Significativo fator de robustez.

Além do Led vermelho, um buzzer também foi utilizado para indicar ausência de

tensão. O Led vermelho e o buzzer ficam acionados intermitentemente enquanto houver

ausência de energia.

A montagem da placa pode de sinalização pode ser vista na Figura 33 a seguir.

Figura 33: Placa de sinalização.


53

5.1.5 Circuito final

Com todos os dispositivos funcionando separadamente, iniciou-se a junção dos

circuitos para os testes principais. Foram utilizados conectores, cabos e abraçadeiras para o

acabamento dos circuitos. Testes foram realizados (Figura 34) e após ajustes, o circuito

funcionou da maneira correta.

Figura 34: Teste do projeto em bancada.


Ao ligar o dispositivo, há um tempo necessário para que o equipamento busque a rede,

logo em seguida, o Led verde é acionado.

Caso haja queda de energia, o dispositivo aguarda 5 segundos, afim de não sinalizar

uma queda momentânea da rede, logo em seguida envia uma mensagem para os telefones

cadastrados indicando a queda de energia.

Após o envio da mensagem, o equipamento realiza três chamadas seguidas para os

telefones cadastrados. Durante toda a ausência de energia, um Led vermelho e um buzzer

funcionam de forma intermitente, indicando de forma visual e sonora a ausência de energia.

Quando a energia é reestabelecida, o Led verde volta a ser acionado, enquanto o Led vermelho

e o buzzer são desligados. Uma mensagem é enviada informando o reestabelecimento de

energia.

54

5.1.6 Montagem

Após a realização de todos os testes em bancada, iniciou-se a montagem física do

projeto. Todo o conjunto eletrônico foi colocado em uma caixa de montagem conforme a

Figura 35.

Figura 35: Montagem física do projeto.


Toda a montagem elétrica foi realizada com a utilização de conectores, cabos flexíveis

e terminais (Figura 36).

Figura 36: Montagem elétrica do projeto.


55

Realizou-se furos nas laterais da caixa de montagem, afim de alojar os Led’s de

sinalização, o porta-fusível, o botão liga-desliga, a antena do módulo GSM e o conector para

passagem dos cabos de rede (Figura 37).

Figura 37: Montagem das conexões.


Durante a montagem física e elétrica do projeto, foram realizados testes do circuito

(Figura 38), uma vez que o botão liga-desliga e o fusível foram inseridos na montagem.

Figura 38: Teste durante a montagem do projeto.


56

Na Figura 39, é possível observar detalhes do projeto. Do lado esquerdo foi instalado o

botão liga-desliga e a antena do módulo GSM. Na parte frontal, encontra-se os led’s

indicadores de presença ou ausência de energia. Do lado direito, encontra-se o porta-fusível e

os cabos de ligação do projeto.

Figura 39: Projeto montado.


Após a montagem do projeto, realizaram-se outros testes e pode-se observar o

comportamento do sistema todo montado (Figura 40).

Figura 40: Testes finais.


57

Utilizou-se identificadores indicando o botão liga-desliga, os leds de status e os cabos

de ligação (Figura 41).

Figura 41: Identificadores do projeto.


Uma vez montado o sistema, o projeto foi instalado no Centro de Pesquisa e

Desenvolvimento de Fármacos. (ICB / UFMG), com o objetivo de monitorar a Incubadora

com Agitação Orbital (Figura 42).

Figura 42: Teste de monitoramento em laboratório.


58

Essa máquina funciona com 220V e possuí a potência de 600W. O Sistema de

monitoramento ficou instalado durante 8 dias (22/07/2018 à 29/07/2018). Durante esse

período, a máquina funcionou corretamente e houve apenas uma queda de energia, registrada

no dia 27/07/2018 às 21:47. A rede elétrica foi reestabelecida 17 minutos após a queda, não

causando inviabilização dos materiais contidos no equipamento.

Outros vários testes foram realizados, forçando a queda de energia e observando o

comportamento do sistema. Com os procedimentos realizados, a confiabilidade do projeto foi

confirmada, demonstrando sua importância nos ambientes laboratoriais.

5.1.7 Custo do projeto

Para montagem do projeto foram adquiridos alguns componentes essenciais para seu

funcionamento.

Para a alimentação elétrica do projeto, utilizou-se um carregador de bateria e uma

bateria. Para a execução do programa utilizou-se um microcontrolador Arduino UNO. Para o

funcionamento do projeto, módulo de detecção de tensão, regulador de tensão e módulo GSM

foram utilizados. Para a sinalização local, foi projetado e montado uma placa eletrônica com

Led’s, buzzer e resistores. Todo o conjunto foi colocado em uma caixa de montagem e

finalizada com conexões para um melhor acabamento.

Os valores de cada parte do projeto, e seu valor total encontra-se na Tabela 2.

Tabela 2: Orçamento do projeto.

ÍTEM DESCRIÇÃO PREÇO

01 Carregador de bateria (fonte) 127/220V R$ 50,00

02 Bateria de chumbo-ácido selada12V / 7Ah R$ 50,00

03 Regulador de tensão LM2596 R$ 10,00

04 Detector de tensão AC P8 R$ 15,00

05 Arduino Uno R$ 30,00

06 Shield GSM SIM900 R$ 115,00

07 Cabos e conexões R$ 10,00

09 Caixa de momtagem R$ 45,00

10 Componentes eletrônicos diversos R$ 15,00

11 Chip de celular R$ 10,00

VALOR TOTAL R$ 350,00

Fonte: Próprio autor.

59

Importante salientar que os valores de cada parte do projeto tendem a diminuir ao

decorrer do tempo, uma vez que novos shields e novas versões do Arduino surgem a cada dia.

5.1.8 Programação

A primeira etapa do programa constitui-se de um cabeçalho com as informações do

projeto e as configurações das constantes e dos pinos utilizados (Figura 43).

Figura 43: Parâmetros e Configurações iniciais.


O detector de tensão encontra-se no pino A2. O Led verde (rede ligada), Led vermelho

(rede desligada) e o buzzer encontram-se nos pinos 2, 3 e 4 respectivamente. Também foram

criados dois contadores. Um contador para contar as sinalizações (Led vermelho e buzzer) e

um contador para as chamadas realizadas. A etapa seguinte do programa (Figura 44)

apresenta os pinos que serão configurados como entrada ou como saída.

Figura 44: Início do programa.


60

A entrada é composta pelo detector de tensão e as saídas são representadas pelos Leds

e pelo buzzer. A velocidade da comunicação serial do Arduino também é colocada nessa

etapa da programação. Para ligar o a placa GSM SIM900 sem a necessidade de acionar a

chave manualmente, um pulso de dois segundos é aplicado ao pino 9 do módulo.

A próxima etapa do programa trata da rotina principal (Figura 45). É nessa etapa que

acontece a detecção de ausência ou presença de energia da rede da concessionária, assim

como o envio de textos (serial) para um computador que esteja conectado ao mesmo.

Figura 45: Loop principal.


61

Essa rotina é responsável por ativar as outras rotinas do programa, que são

responsáveis pelo envio de mensagens e realização de chamadas telefônicas. Nessa etapa do

programa, também acontece a contagem das sinalizações e das chamadas realizadas.

A Figura 46 apresenta a etapa de realização de chamadas telefônicas. Percebe-se que

nessa rotina é inserido o número de telefone, assim como os comandos necessários para a

realização das chamadas telefônicas.

Figura 46: Realizando chamadas telefônicas.


Assim como na realização de chamadas, o envio de mensagens também acontece

através de comandos próprios. Na Figura 47 é apresentado a rotina responsável pelo envio de

mensagens informando a queda de energia, assim como o envio de mensagens informando o

reestabelecimento da mesma.

Figura 47: Realizando envio de mensagens.


62

6 ANÁLISE DOS RESULTADOS

Neste trabalho foi desenvolvido um protótipo de um Sistema Eletroeletrônico

Programável para Monitoramento de Equipamentos Laboratoriais para uso em laboratórios

que não podem ficar sem a presença de energia elétrica. O protótipo desenvolvido obteve

êxito em sua execução, enviando mensagens e realizando chamadas telefônicas quando havia

ausência de energia elétrica nos equipamentos.

Mesmo com baixo sinal de rede telefônica, o alarme local funciona normalmente. E

com um baixo sinal, as mensagens são enviadas sem maiores problemas. Para melhorar o

sinal de celular em locais onde esse sinal é fraco e compromete a comunicação pode-se

utilizar um repetidor de sinal. A função desse repetidor de sinal é distribuir o sinal de celular

em áreas onde o sinal é fraco. Para que o repetidor de sinal funcione é necessário a instalação

de uma antena externa que capte o sinal de celular. Através de cabos, a antena envia o sinal

para o repetidor que é instalado na parte interna do ambiente onde se deseja a comunicação

via sinal de celular.

Avaliado em R$350,00, o baixo custo possibilita sua utilização nos ambientes

laboratoriais de forma simples e segura. Além disso, o aparelho desenvolvido apresenta as

seguintes vantagens:

manuseio simples, permitindo o uso sem a necessidade de auxílio profissional;

pequeno tamanho e peso, o que o torna portátil e possibilita o seu transporte de forma

fácil;

o monitoramento acontece durante todo o instante e garante o envio de mensagens e

realização de chamadas mesmo com baixo sinal de rede;

pode-se monitorar vários equipamentos simultâneamente, basta que o projeto monitore

uma das tomadas de um mesmo circuito onde se encontre outros equipamentos;

é possível utilizar o projeto em conjunto com nobreaks e geradores.

Essas características aumentam a acessibilidade e diminuem os problemas causados

pela queda de energia em equipamentos laboratoriais. Diminuir as perdas e transtornos

causados por quedas de energia, traz melhores resultados, segurança e comodidade para todos

os profissionais envolvidos.

63

7 CONCLUSÃO

A proposta de desenvolver um Sistema Eletroeletrônico Programável para

Monitoramento de Equipamentos Laboratoriais foi atendida, mostrando a viabilidade de usar

a tecnologia para realizar chamadas telefônicas e enviar mensagens de textos para telefones na

ausência de energia elétrica.

As vantagens evidenciadas pelo sistema desenvolvido foram muitas. O funcionamento

simples possibilitou a utilização pelos usuários sem a necessidade de assistência de um

profissional treinado. O baixo custo (R$350,00) torna acessível a compra do equipamento sem

a necessidade de grandes investimentos. O tamanho e peso reduzido permite o transporte para

outros ambientes e/ou equipamentos.

Para a montagem do protótipo foram usados os seguintes componentes: placa arduíno

uno, shield SIM900, bateria, fonte de alimentação, regulador de tensão, circuito detector de

tensão e componentes eletrônicos, que foram conectados e desempenharam suas funções

corretamente. O programa desenvolvido no IDE para o envio de mensagens e realização de

chamadas na ausência de energia elétrica também funcionou adequadamente.

O projeto realizado possui relevância para a sociedade, uma vez que torna possível a

percepção da ausência ou presença de energia em equipamentos e máquinas primordiais para

o desenvolvimento de projetos em ambientes laboratoriais.

A realização desse projeto buscou responder ao problema formulado para a realização

deste estudo, e a hipótese básica foi confirmada. É viável o desenvolvimento de um sistema

eletroeletrônico programável para monitoramento de equipamentos laboratoriais de modo a

aprimorar a tomada de decisão sobre as quedas de energias.

Verifica-se, portanto, que os objetivos desse estudo quanto à construção e verificação

da viabilidade do uso de sistemas de monitoramento através de chamadas telefônicas e envio

de mensagens de textos para celulares foi alcançada com êxito.

Como sugestão de melhoramento e trabalhos futuros, cita-se os seguintes itens:

avaliar o uso do protótipo em outros ambientes onde é necessário o monitoramento de

energia elétrica;

64

desenvolver novas programações e protótipos para outros tipos de monitoramentos

laboratoriais, principalmente temperaturas;

incorporar um teclado para cadastro manual de telefones e ajustes de tempo;

incorporar rede de telefonia fixa no projeto, mantendo o monitoramento mesmo na

ausência de sinal de telefonia móvel;

incorporar um display LCD para maior detalhamento de funções e interação com o

usuário;

desenvolver hardware e software para envio dos resultados dos monitoramentos via

rede.

Espera-se com esse trabalho, contribuir de forma significativa para a qualidade dos

projetos desenvolvidos em laboratórios, trazendo segurança e comodidade no monitoramento

da energia elétrica desses ambientes.

65

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68

ANEXO A - Programa Completo

desenvolvimento de sistema eletroeletrÔnico...

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